CZ287129B6 - Control method of complementing fundamental nutrients during continuous preparation of lactic acid - Google Patents

Abstract

No information given.

Description

Vynález se týká způsobu kontinuální výroby kyseliny mléčné s recyklací biomasy.The invention relates to a process for the continuous production of lactic acid with recycling of biomass.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Kyselina mléčná je v přírodě jednou z nejrozšířenějších organických kyselin, kterou je možné vyrábět fermentačním způsobem. Kyselina mléčná je produktem celé řady mikroorganismů. Pro průmyslové využití se používají mléčné bakterie, nejčastěji zástupci rodů Lactobacillus a Streptococcus, které se vyznačují homofermentativním metabolismem, tzn. že kyselina mléčná jako hlavní produkt metabolismu je tvořena zvíce jak 80% teoretického výtěžku. Mléčné bakterie jsou z hlediska požadavků na živiny poměrně náročnými organismy, pro svůj růst a tvorbu kyseliny mléčné vyžadují kromě zdroje uhlíku (jednoduché cukry) a dusíku (amonné soli a aminokyseliny), celou řadu růstových látek, vitaminů a minerálů. V případě nedostatku některé z živin rychlost produkce kyseliny mléčné výrazně klesá, případně je zastavena. Vlastní fermentace je rovněž silně inhibována tvořenou kyselinou mléčnou a poklesem hodnoty pH zkvašovaného média. Proto je nutné v průběhu celé fermentace udržovat pH v optimálním rozmezí mezi 5,5 až 6,5.Lactic acid is one of the most widespread organic acids in nature, which can be produced by fermentation. Lactic acid is the product of many microorganisms. For industrial use are used lactic bacteria, most commonly representatives of genera Lactobacillus and Streptococcus, which are characterized by homofermentative metabolism, ie. It is believed that lactic acid as a major metabolic product is made up of more than 80% of the theoretical yield. Lactic bacteria are relatively demanding organisms in terms of nutrient requirements and require a variety of growth substances, vitamins and minerals in addition to carbon (simple sugars) and nitrogen (ammonium salts and amino acids) for their growth and lactic acid production. In the absence of any of the nutrients, the rate of lactic acid production decreases significantly or is stopped. The fermentation itself is also strongly inhibited by lactic acid and a decrease in the pH of the fermented medium. Therefore, it is necessary to maintain the pH in the optimum range between 5.5 and 6.5 throughout the fermentation.

První komerční výroba byla realizována v USA v roce 1881. „Klasická“ výroba kyseliny mléčné byla velmi jednoduchá: vsádková fermentace, vysrážení laktátu vápenatého, jeho přečištění a vytěsnění kyseliny mléčné, další přečištění a zakoncentrování. Ztráty kyseliny mléčné při tomto způsobu výroby dosahují i přes 50 %, pokud není optimalizována recirkulace matečných louhů obsahujících laktát nebo kyselinu mléčnou.The first commercial production took place in the United States in 1881. The "classic" lactic acid production was very simple: batch fermentation, calcium lactate precipitation, purification and displacement of lactic acid, further purification and concentration. Losses of lactic acid in this production process reach even over 50% unless the recirculation of the mother liquor containing lactate or lactic acid is optimized.

Zvýšení produktivity fermentace je možné dosáhnout využitím přítokového systému (fed-batch) nebo kontinualizací fermentace. U „klasické“ kontinuální fermentace (chemostatu) je zřeďovací rychlost a tím i produktivita omezena malou růstovou rychlostí kultury produkčního kmene, proto byly hledány způsoby, které by umožňovaly efektivnější, opakované využití již narostlé biomasy pomocí recyklace biomasy. Separace aktivní biomasy z prokvašeného média je v klasické technologii znemožňována především používáním mletého vápence či vápenného mléka k neutralizaci vznikající kyseliny mléčné. Proto se recyklace biomasy známá z jiných kvasných procesů (např. lihové kvašení s vratnou separací kvasinek - Melle-Boinot, 1930) při fermentační výrobě kyseliny mléčné neuplatnila. Recirkulaci biomasy je možné využít v případě čirých médií, kdy je k neutralizaci požíván hydroxid sodný nebo draselný nebo čpavek. Moderní technologie využívají k separaci aktivní biomasy mléčných bakterií separačních jednotek pracujících na principu usazováků, odstředivek, membránové filtrace apod.Increased fermentation productivity can be achieved by using a fed-batch system or by continuous fermentation. In the "classic" continuous fermentation (chemostat), the dilution rate and thus the productivity is limited by the low growth rate of the production strain culture, therefore, ways have been sought which would allow more efficient, reuse of already grown biomass by biomass recycling. Separation of the active biomass from the fermented medium is prevented in classical technology mainly by the use of ground limestone or lime milk to neutralize the resulting lactic acid. Therefore, the recycling of biomass known from other fermentation processes (eg spirits with reverse yeast separation - Melle-Boinot, 1930) has not been applied in the fermentation production of lactic acid. Biomass recirculation can be used in clear media where sodium or potassium hydroxide or ammonia is used for neutralization. Modern technologies use separation units working on the principle of settlers, centrifuges, membrane filtration, etc. to separate active biomass of lactic bacteria.

Další možností vedoucí ke zefektivnění a zvýšení výtěžnosti kyseliny mléčné je inovace izolace a čištění kyseliny mléčné, původní srážení s Ca²⁺ ionty bylo realizováno pomocí vsádkového procesu a vedlo k poměrně vysokým ztrátám.Another possibility to increase the efficiency and increase the lactic acid yield is to innovate the isolation and purification of lactic acid, the initial precipitation with Ca ²⁺ ions was realized by a batch process and led to relatively high losses.

Moderní způsoby izolace jsou založeny na:Modern insulation methods are based on:

• zachycování kyseliny mléčné pomocí iontoměničů• Lactic acid capture by ion exchangers

- iontoměnič lze regenerovat a znovu použít- the ion exchanger can be regenerated and reused

- nevýhodou je malá kapacita a velké množství odpadů z regenerace iontoměničů- the disadvantage is the low capacity and the large amount of waste from the regeneration of ion exchangers

-1 CZ 287129 B6 • extrakci organickými rozpouštědly• extraction with organic solvents

- nevýhodou je omezená selektivita rozpouštědel, částečná rozpustnost vhodných rozpouštědel ve vodě a vysoké nároky na jejich oddělení z extraktu · destilaci kyseliny mléčné po převedení na těkavé methyl- nebo ethylestery • metodách pertrakce na kapalných membránách- disadvantage is limited selectivity of solvents, partial solubility of suitable solvents in water and high demands on their separation from the extract · distillation of lactic acid after conversion to volatile methyl or ethyl esters • methods of liquid membrane pertraction

- metoda je zatím ve stadiu poloprovozních zkoušek a není prověřeno, zda se bude hodit pro průmyslové měřítko • elektrodialýze (ED)- the method is still in the pilot stage and it is not verified whether it will be suitable for industrial scale • electrodialysis (ED)

- výhodou je možnost kontinualizace procesu a docílení vysoké výtěžnosti a v případě recyklace proudů diluátu nepatrný dopad na životní prostředí (Boyaval P, Corre C. and Terre- the advantage is the possibility to continualise the process and achieve a high yield and, in the case of recycling the diluate streams, a low environmental impact (Boyaval P, Corre C. and Terre)

S.: Continuous lactic acid fermentation with concentrated product recovery by ultrafiltration and elektrodialysis. Biotechnol. Lett. 9, 207-212, 1987). ED může být využita pro následnou elektrokonverzi laktátu na kyselinu mléčnou.S. .: Continuous lactic acid fermentation with concentrated product recovery by ultrafiltration and electrodialysis. Biotechnol. Lett. 9, 207-212 (1987). ED can be used for the subsequent electroconversion of lactate to lactic acid.

Vzhledem k celosvětovému trendu vývoje tzv. bezodpadních technologií, které by co nejméně zatěžovaly svými odpadními produkty okolní přírodu a také, aby byl minimalizován negativní 20 dopad na životní prostředí, je zde nutné uvažovat o maximálním využití všech komponent vstupujících do procesu, včetně proudů odpadních vod, které by odcházely z izolace a čištění kyseliny mléčné. Tomuto hledisku je nutné podřídit i výběr vhodné separační a purifikační techniky. Elektrodialýza (ED) je z tohoto pohledu jednou z vysoce ekologických technologií vzniká malé množství odpadních vod, které jsou navíc recyklovatelné.Given the worldwide trend of developing so-called waste-free technologies that minimize the environmental burden of their waste products and also to minimize the negative impact on the environment, it is necessary to consider the maximum use of all process components, including waste water streams. that would come out of the isolation and purification of lactic acid. The selection of a suitable separation and purification technique must also be subordinated to this aspect. From this point of view, electrodialysis (ED) is one of the highly ecological technologies that produces a small amount of waste water, which is moreover recyclable.

Z obdobné myšlenky vychází i patentová přihláška EP 0346983 A2, kde předmětem ochrany je využití známého principu přípravy kyselin použitím způsobu izolace a čištění pomocí ultrafíltrace a elektrodialýzy spojených s recirkulací některých proudů pro výrobu kyseliny mléčné s použitím buněk rodu Bacillus. Rovněž v patentové přihlášce EP 0393818 AI je popsána 30 produkce a izolace kyseliny mléčné pomocí elektrodialýzy v kombinaci s iontoměniči. Jednotlivé odpadní proudy z elektrodialyzérů recyklují. Není však nikde uvedeno v jakém množství a kvalitě jsou tyto proudy vraceny zpět do procesu fermentace a ani není naznačen způsob regulace a řízení fermentace a celého systému.A similar idea is based on patent application EP 0346983 A2, where the object of protection is to use the known principle of acid preparation using a method of isolation and purification by ultrafiltration and electrodialysis associated with recirculation of some lactic acid production streams using Bacillus cells. Also, patent application EP 0393818 A1 describes the production and isolation of lactic acid by electrodialysis in combination with ion exchangers. The individual waste streams from the electrodialysers are recycled. However, there is no indication in what quantity and quality these streams are returned to the fermentation process, nor is there any indication of how to control and control the fermentation and the whole system.

Stanovení zbytkového obsahu cukru a dalších živin klasickými metodami v recyklovaných proudech je relativně zdlouhavé a neumožňuje „on line“ řízení kontinuálního procesu.Determination of residual sugar and other nutrients by conventional methods in recycled streams is relatively time consuming and does not allow on-line control of the continuous process.

Při realizaci dřívějších způsobů mléčného kvašení v přítokovaných systémech, ve kterých se neuplatňovala recirkulace mléčných bakterií ani média po odstranění laktátu, je pro řízení 40 přítoků sacharidického zdroje postačující využití změn pH, ke kteiým dochází v průběhu fermentace. S přídavkem neutralizačního činidla (zásady), jehož přítok byl řízen regulátorem spojeným s pH-metrem se současně přidával roztok cukru, jehož množství bylo přímo úměrné množství dodaného neutralizačního činidla.In the implementation of earlier lactic acid fermentation processes in fed-batch systems in which neither lactic acid recirculation nor the lactate removal medium was applied, it is sufficient to use the pH changes that occur during fermentation to control the 40 feeds of the saccharide source. With the addition of a neutralizing agent (base) whose flow was controlled by a regulator associated with the pH meter, a sugar solution was added at the same time, the amount of which was proportional to the amount of neutralizing agent delivered.

Tuto metodu je možné použít k „on-line“ stanovení koncentrace kyseliny mléčné (laktátu) pouze za určitých podmínek - v modelových situacích. V komplikovaném systému (v reálných fermentačních médiích a roztocích obsahujících více komponent - recyklované proudy) je nepřesná a selhává.This method can be used to 'on-line' determine the concentration of lactic acid (lactate) only under certain conditions - in model situations. In a complicated system (in real fermentation media and solutions containing multiple components - recycled streams), it is inaccurate and fails.

Při vracení média v procesech s recirkulací je nutné zajistit konstantní složení média přítokovaného do fermentoru. K tomu je nutné znát koncentraci jednotlivých komponent, což však dosud nebylo možné uspokojivě zabezpečit, jednak by to bylo finančně nákladné a dále na řadu komponent neexistují vhodná a spolehlivá „on-line“ čidla. Stanovení „off-line“, - při kterém jeWhen returning the medium in recirculated processes, it is necessary to ensure a constant composition of the medium fed to the fermenter. It is necessary to know the concentration of individual components, but this has not yet been satisfactorily ensured, it would be costly and there are no suitable and reliable “on-line” sensors for many components. Determination of off-line - in which it is

-2CZ 287129 B6 výsledek znám s časovou prodlevou, životnost a spolehlivost speciálních čidel je nízká a médium zrecyklu není vhodné s ohledem na možnou kontaminaci skladovat, nepřicházejí pro řízení procesu v úvahu.The result is known with a time delay, the service life and reliability of the special sensors is low and the medium of the bicycle is not suitable for storage due to possible contamination, it is not an option for process control.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob řízení doplňování nezbytných živin, zejména sacharidů, zdrojů dusíku, fosforu a dalších biogenních prvků, vitaminů a růstových faktorů, při kontinuální výrobě kyseliny mléčné s recyklací biomasy a recyklací toků diluátů ze stupňů elektrodialýzy a elektrokonverze, vyznačující se tím, že se proces přidávání roztoků nezbytných živin do bioreaktoru provádí na základě kontinuálně měřených hodnot pH, vodivosti a refrakce média v obsahu bioreaktoru, z jejichž kombinace lze určit obsah nezbytných živin, přičemž při doplňování roztoků nezbytných živin a neutralizačního činidla například hydroxidu sodného do bioreaktoru se udržuje konstantní objem produkčního média v bioreaktoru a pH produkčního média na hodnotě 5,5 až 6,5, refrakční index RI v mezích 1,3 až 1,4 a vodivost G v mezích 8 až 35 mS.These disadvantages are overcome by a method of controlling the replenishment of the necessary nutrients, in particular carbohydrates, nitrogen sources, phosphorus and other biogenic elements, vitamins and growth factors, in the continuous production of lactic acid with biomass recycling and recycling of diluate streams from electrodialysis and electroconversion stages. the process of adding the necessary nutrient solutions to the bioreactor is based on continuously measured pH values, conductivity and refraction of the medium in the bioreactor content, from which the necessary nutrient content can be determined, maintaining a constant volume while adding necessary nutrient solutions and the production medium in the bioreactor and the pH of the production medium at 5.5 to 6.5, the refractive index RI in the range 1.3 to 1.4 and the conductivity G in the range 8 to 35 mS.

Produkční médium lze připravovat s výhodou v přípravné nádrži umístěné před bioreaktorem, do níž se vracejí odpadní proudy z elektrodialyzérů a přidává roztok živin a vody.The production medium can preferably be prepared in a pre-brewing tank upstream of the bioreactor to which the waste streams from the electrodialysers are returned and a nutrient and water solution is added.

Základní bilanční rovnice:Basic balance equations:

Tvorba kyseliny mléčnéFormation of lactic acid

C₆H₁₂O₆ -> 2 C₃H₆O₃ C ₆ H ₁₂ O ₆ -> 2 C ₃ H ₆ O ₃

180 90180 90

Vysvětlivky:Explanatory notes:

C₆H,₂O₆ glukózaC ₆ H, ₂ O ₆ glucose

C₃HóO₃ kyselina mléčnáC ₃ H ₆ O ₃ lactic acid

Neutralizace kyseliny mléčnéNeutralization of lactic acid

NaOH 48 NaOH 48 + C₃H₆O₃ -> NaC₃H₅O₃ + H₂O 90+ C ₃ H ₆ O ₃ -> NaC ₃ H ₅ O ₃ + H ₂ O 90 KOH 54 KOH 54 + C₃H₆O₃ kc₃h₅o₃ +h₂o 90+ C ₃ H ₆ O ₃ kc ₃ h ₅ o ₃ + h ₂ o 90

NH4OH + C₃H₆O₃ -> NH₄C₃H₅O₃ + H₂ONH 4 OH + C ₃ H ₆ O ₃ -> NH ₄ C ₃ H ₅ O ₃ + H ₂ O

9090

Možnosti regulace a řízení bioprocesuPossibilities of regulation and control of bioprocess

Koncentraci kyseliny mléčné lze stanovitThe lactic acid concentration can be determined

-> podle spotřeby neutralizačního roztoku - zásady (za předpokladu, že pH médií přiváděných je stejné jako pH v reaktoru).-> according to the consumption of the neutralization solution - alkali (assuming that the pH of the feed media is the same as that of the reactor).

Bilance kyseliny mléčné (KM) odpovídající spotřebě zásady za podmínky udržování konstantního pH v průběhu fermentace při předpokládané 80 % výtěžnosti:Balance of lactic acid (KM) corresponding to the consumption of alkali under the condition of maintaining a constant pH during fermentation at the assumed yield of 80%:

litr20%NaOH litr 20 % KOH litr24%NH₄OHliter 20% NaOH liter 20% KOH liter24% NH ₄ OH

->375 gKM -> 450 g glukózy -> 410 gsacharózy -> 333 g KOH -> 400 g glukózy -> 364 g sacharózy ->617gKM -> 740 g glukózy -> 670 g sacharózy-> 375 gKM -> 450 g glucose -> 410 g sucrose -> 333 g KOH -> 400 g glucose -> 364 g sucrose -> 617gKM -> 740 g glucose -> 670 g sucrose

-3CZ 287129 B6 je použitelná pro jednoduché systémy - přítokové (fed-batch) a kontinuální fermentace bez recyklu média, v případě fermentace s recyklací biomasy a média po izolaci kyseliny mléčné je tento typ regulace značně nepřesný a je nutné tento systém doplnit dalšími regulačními prvky.-312 287129 B6 is applicable for simple systems - fed-batch and continuous fermentation without recycle medium, in the case of fermentation with recycling of biomass and medium after isolation of lactic acid, this type of regulation is very inaccurate and it is necessary to supplement this system with other control elements .

-> na základě vodivosti média-> based on medium conductivity

Tvořená KM je neutralizována a s koncentrací laktátu (resp. přídavku neutralizačního činidla) přímo úměrně stoupá vodivost média (podmínkou je udržování konstantního pH v bioreaktoru).The formed KM is neutralized and with the lactate concentration (or the addition of neutralizing agent) the conductivity of the medium increases directly in proportion (the condition is to maintain a constant pH in the bioreactor).

-> umístit vodivostní čidlo přímo do bioreaktoru nebo do recyklačního potrubí (nutná kalibrace vodivosti na koncentraci KM a použité médium) (Payot T. and Fick M.: On-line estimation of lactic acid concentration by conductivity measurement in fermentation broth. Biotechnol. Techniques, 11,17-20,1997).-> place the conductivity sensor directly in the bioreactor or in the recycling pipeline (calibration of conductivity to KM concentration and medium used) (Payot T. and Fick M .: On-line estimation of lactic acid concentration by conductivity measurement in fermentation broth. Biotechnol. Techniques , 11, 17-20, 1997).

-> podle refrakce-> by refraction

Kyselina mléčná (laktát) a sacharóza (příp. glukóza a jiné cukry) mají téměř shodný index lomu, proto touto metodou lze koncentraci jednotlivých látek zjistit pokud se druhá látka v médiu 20 nenachází nebo její koncentrace se nemění (nutná kalibrace na reálné roztoky).Lactic acid (sucrose) and sucrose (or glucose and other sugars) have almost the same refractive index, so this method can determine the concentration of individual substances if the second substance is not present in the medium or its concentration does not change (necessary calibration to real solutions).

Výše uvedené „on-line“, instrumentálně nenáročné a jednoduché metody je možné použít pro efektivní řízení kontinuálního fermentačního systému s několika nezávislými recykly média za předpokladu nalezení vhodné kombinace údajů z jednotlivých měřicích sond.The above-mentioned "on-line", instrument-free and simple methods can be used to efficiently control a continuous fermentation system with several independent media recyclers, providing a suitable combination of data from the individual measurement probes is found.

1. Pro řízení přítoků sacharidického zdroje je postačující využití změn pH, ke kterým dochází v průběhu fermentace. Ve fermentoru se udržuje téměř konstantní pH 5,5 až 6,5. S přídavkem neutralizačního činidla (zásady), jehož přítok je řízen regulátorem spojeným s pH-metrem se současně přidává roztok cukru, jehož množství je přímo úměrné množství dodanému neutrali- začnímu činidlu.1. The use of pH changes occurring during fermentation is sufficient to control the inflows of the saccharide source. The pH of the fermenter is maintained at almost constant pH 5.5 to 6.5. With the addition of a neutralizing agent (base), the flow of which is controlled by a regulator associated with the pH meter, a sugar solution is added at a time which is proportional to the amount of neutralizing agent delivered.

2. Způsob řízení fermentace podle vynálezu využívá recyklace biomasy a média zbaveného většiny anionů laktátu pomocí elektrodialýzy (ED). Vzhledem k tomu, že optimální režim ED vyžaduje zachování určité vodivosti roztoků na vstupu i výstupech, obsahuje i diluát vystupující zED určité množství iontů laktátu a solí, případně kyseliny mléčné. Z vodivosti diluátu lze odvozovat obsah anorganických solí, které jsou do bioreaktoru vraceny zpět. Je však nutné doplňovat vodu, která kompenzuje ztráty způsobené odváděním roztoku kyseliny mléčné ze systému. Při kompletaci produkčního média ve zvláštní nádrži je rovněž nutné brát v úvahu i množství laktátu a cukru, které jsou obsaženy v proudech recyklovaných z elektrodialyzérů, 40 s nimiž koresponduje určitá hodnota refrakce.2. The fermentation control method of the invention utilizes the recycling of biomass and medium devoid of most lactate anions by electrodialysis (ED). Since the optimum ED regime requires a certain conductivity of the solutions at the inlet and outlet, the diluate exiting the ED also contains a certain amount of lactate ions and salts or lactic acid. The content of inorganic salts can be derived from the conductivity of the diluate and returned to the bioreactor. However, it is necessary to add water to compensate for the losses caused by the removal of the lactic acid solution from the system. The amount of lactate and sugar contained in the currents recycled from the electrodialysers, to which a certain value of refraction corresponds, must also be taken into account when assembling the production medium in a separate tank.

Způsob řízení doplňování nezbytných živin, zejména sacharidů, zdrojů dusíku, fosforu a dalších biogenních prvků, vitaminů a růstových faktorů, při kontinuální výrobě kyseliny mléčné s recyklací biomasy a recyklací toků diluátů ze stupňů elektrodialýzy a elektrokonverze, podle 45 vynálezu umožňuje „on line“ řízení kontinuální fermentace s kontinuální recyklací všech odpadních proudů, nezatěžuje svými odpadními produkty okolní přírodu a minimalizuje negativní dopad na životní prostředí. Využívá všech komponent vstupujících do procesu, včetně proudů odpadních vod, které by jinak odcházely z izolace a čištění kyseliny mléčné. Elektrodialýza (ED) v tomto optimalizovaném provedení je jednou z vysoce ekologických technologií - vzniká 50 minimální množství odpadních vod, které jsou navíc recyklovatelné, které jsou na základě naměřených hodnot kontinuálně vraceny zpět do procesu.The method of controlling the replenishment of necessary nutrients, in particular carbohydrates, sources of nitrogen, phosphorus and other biogenic elements, vitamins and growth factors, in the continuous production of lactic acid with recycling of biomass and recycling of diluate flows from electrodialysis and electroconversion stages continuous fermentation with continuous recycling of all waste streams, does not burden the surrounding nature with its waste products and minimizes the negative impact on the environment. It utilizes all of the components entering the process, including wastewater streams that would otherwise be left from isolation and purification of lactic acid. Electrodialysis (ED) in this optimized design is one of the most environmentally friendly technologies - 50 minimal wastewater is generated, which is recyclable and is continuously returned to the process based on the measured values.

-4CZ 287129 B6-4GB 287129 B6

Přehled obrázků na výkresechOverview of the drawings

Na obr. 1 je znázorněna schematicky výroba kyseliny mléčné podle varianty 1 a na obr. 2 podle varianty 2.Fig. 1 shows schematically the production of lactic acid according to variant 1 and Fig. 2 according to variant 2.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Fermentace: pH v bioreaktoru 10 s míchadlem se reguluje na konstantní hodnotě v rozmezí 5,0 až 6,5 dávkováním roztoků zásady - přitom zásady F_z (NaOH, KOH nebo NH4OH). Konstantní objem média - konstantní hladina v bioreaktoru 10 se udržuje na 5 m³. Koncentrace biomasy v bioreaktoru 10 se odtahem zkvašeného média udržuje na 50 až 200 g/1.Fermentation: The pH in the bioreactor 10 with stirrer is controlled at a constant value in the range of 5.0 to 6.5 by dosing solutions of the base - the base F _from (NaOH, KOH or NH 4 OH). Constant volume of medium - constant level in bioreactor 10 is maintained at 5 m ³ . The biomass concentration in the bioreactor 10 is maintained at 50 to 200 g / l by withdrawing the fermented medium.

Zkvašené médium z bioreaktoru 10 s buňkami produkčního kmene se vede na mikrofiltr 20 s keramickou membránou mající velikost pórů mezi 0,1 až 0,7 pm. Retentát obsahující buňky produkčního kmene se vede zpět do bioreaktoru 10.The fermented medium from the production strain cell bioreactor 10 is fed to a ceramic membrane microfilter 20 having a pore size of between 0.1 to 0.7 µm. The retentate containing the cells of the production strain is returned to the bioreactor 10.

Bezbuněčný permeát - tok 2 je veden na elektrodialýzu EDI 30.Cell-free permeate flow 2 is conducted to EDI 30 electrodialysis.

Bezbuněčný permeát - tok 2 je kontrolován průtokoměrem F2, refraktometrem RL a vodivostním čidlem G2. Pokud nebude dosaženo odpovídajících hodnot, zejména vodivosti, nelze spustit elektrodialýzu.Cell-free permeate flow 2 is controlled by flow meter F2, refractometer RL and conductivity sensor G2. If the corresponding values, especially conductivity, are not achieved, electrodialysis cannot be started.

Elektrodialytická separace ED 130 využívá anionaktivních a kationaktivních membrán.The ED 130 electrodialysis separation utilizes anionic and cationic membranes.

Diluát z ED 130 - tok 6 se vrací zpět do bioreaktoru 10 a je kontrolován průtokoměrem F6, refraktometrem RI_é a vodivostním čidlem G_s. (Obsahuje organické živiny, zbytky cukru, laktátu a anorganických látek).130 parts ED - stream 6 is returned to the bioreactor 10 is controlled by the flow meter F6 refractometer RI _s and a conductivity sensor _G. (Contains organic nutrients, sugar, lactate and inorganic residues).

Koncentrát laktátu z ED 130 - tok 3 se vede na elektrodialyzér ED II40 a je kontrolován průtokoměrem F3, refraktometrem RT a vodivostním čidlem G₃.The lactate concentrate from ED 130 - flow 3 is fed to the ED II40 electrodialyser and is controlled by a flow meter F3, a refractometer RT and a conductivity sensor G ₃ .

Elektrodialyzér II (ED II) 40, kde probíhá elektrokonverze laktátu na kyselinu mléčnou, využívá anionaktivních a kationaktivních membrán. Do elektrodialyzéru ED II40 je přidáván pomocný roztok anorganické kyseliny, jakožto zdroj FT iontů. Z elektrodialyzéru ED II40 odchází koncentrát kyseliny mléčné - tok 4, obsahující zbytky laktátu a dále diluát z ED II40 - tok 7 obsahující koncentrované anorganické soli. Tok 7 je veden zpět do bioreaktoru.The electrodialyser II (ED II) 40, where electroconversion of lactate to lactic acid takes place, utilizes anionic and cationic membranes. Inorganic acid auxiliary solution is added to the ED II40 electrodialyser as a source of FT ions. From the ED II40 electrodialyser the lactic acid concentrate - stream 4 containing the lactate residues and the diluate from ED II40 - stream 7 containing concentrated inorganic salts are discharged. Stream 7 is fed back to the bioreactor.

Toky 4 a 7 jsou kontrolovány průtokoměry F_4a7, refraktometry RI_4a7 a vodivostními čidly G_4a7.Flows 4 and 7 are controlled by flow meters F _4a7 , refractometers RI _4a7 and conductivity sensors G _4a7 .

Koncentrát laktátu z ED 130 je možné konvertovat na kyselinu mléčnou na bipolámích membránách, které jsou schopny generovat protony (FT) a hydroxylové anionty (OH^-). Diluát 7 z elektrodialyzéru ED II40 pak obsahuje hydroxid, který se recykluje zpět do bioreaktoru 10 a tok 4 je koncentrátem kyseliny mléčné.The lactate concentrate of ED 130 can be converted to lactic acid on bipolar membranes capable of generating protons (FT) and hydroxyl anions (OH ^- ). Diluate 7 from the ED II40 electrodialyser then contains the hydroxide which is recycled back to the bioreactor 10 and flow 4 is a lactic acid concentrate.

Optimalizace a řízení procesuProcess optimization and control

Obě varianty předpokládají zajištění běžné kontroly jednotlivých operací (například havárie na ED, MF...).Both options assume the routine control of individual operations (eg ED, MF ...).

-5CZ 287129 B6-5GB 287129 B6

Varianta 1Option 1

Podle obr. 1, je recykl z mikrofiltru 20 vracen přímo do bioreaktoru 10. Toky 6 a 7 diluátů jsou vedeny do nádrže 50. kde se kompletuje médium přiváděné do bioreaktoru 10, která slouží 5 i k vyrovnávání různých nepravidelností chodu systému. Doplněné fermentační médium je přiváděno z nádrže 50 do bioreaktoru 10.Referring to Fig. 1, the recycle from the microfilter 20 is returned directly to the bioreactor 10. Flows 6 and 7 of the diluates are fed to a tank 50 where the medium fed to the bioreactor 10 is assembled to serve to compensate for various irregularities in the system. The replenished fermentation medium is fed from the tank 50 to the bioreactor 10.

-> řízení přítoku média do bioreaktoru 10 se provádí sondou měřící objem V50The medium flow to the bioreactor 10 is controlled by a volume measuring probe V50

- průtok je řízen sondou měřící objem V|o, která udržuje konstantní objem příp. hladinu v bioreaktoru 10- the flow is controlled by a volume measuring probe V0, which maintains a constant volume or volume. bioreactor level 10

- v případě, že průtoky diluátů F_š zEDI a F7 z EDU nejsou dostatečné (menší jak Fjo) je potřebný objem doplněn přítokem vody, který vyrovnává ztrátu způsobenou odvodem koncentrátu kyseliny (tok 4) a odtahem biomasy z bioreaktoru 10. K regulaci přídavku vody je využíváno čidla V50, které hlídá v přípravné nádrži 50 minimální objem, příp. hladinu.- in case the flow F, _with the diluate zedi F7 of EDU insufficient (less than Fjo) is accompanied by the necessary volume of water inflow to compensate for the loss caused by the discharge of acid concentrate (stream 4) and the exhaust of the biomass from the bioreactor 10. In order to control the addition of water sensor V50 is used, which monitors in the preparation tank 50 minimum volume, event. surface.

-> řízení a regulace složení média přiváděného do bioreaktoru 10-> control and regulation of the composition of the medium fed to the bioreactor 10

Živiny - cukrNutrients - sugar

- Refrakce RIsn v přítoku fermentačního média je udržována přídavkem zásobního cukerného roztoku na konstantní hodnotě RI odpovídající ~ 8 % hmotn. cukru.The refraction RIsn in the fermentation broth is maintained at a constant RI value of %8% by the addition of a stock sugar solution. of sugar.

- Koncentrace laktátu v diluátech - toky 6 a 7 z ED130 a II40 je poměrně stabilní a pohybuje se mezi 1 až 2 % hmotn., a rovněž nevyužitý cukr obsažený v diluátu je vracen v toku 6 a 7 a je kontrolován Rig a RI7.The lactate concentration in the diluates - streams 6 and 7 of ED130 and II40 is relatively stable and is between 1 and 2% by weight, and also the unused sugar contained in the diluate is returned in streams 6 and 7 and is controlled by Rig and RI7.

- Refrakce RIjo ve fermentoru 10 při fermentaci zůstává konstantní (cukr je konvertován na 30 kyselinu mléčnou, příp. laktát - které mají přibližně stejný index lomu).The refraction R 10 in fermenter 10 remains constant during fermentation (the sugar is converted to lactic acid or lactate - which have approximately the same refractive index).

- Přídavek cukru neovlivňuje změnu vodivosti roztoku.- The addition of sugar does not change the conductivity of the solution.

Živiny - anorganické soliNutrients - inorganic salts

- Živiny ve formě anorganických solí jsou doplňovány na základě vodivosti média v poměrech daných složením základního média v přípravné nádrži 50, do níž jsou vedeny diluáty - toky 6 a7zEDI30aEDII40.- The nutrients in the form of inorganic salts are replenished on the basis of the conductivity of the medium in proportions given by the composition of the basic medium in the pre-treatment tank 50 into which the diluates - streams 6 and 7 of EDI30 and EDI40 are fed.

-> řízení odběru kyseliny mléčné z bioreaktoru 10, regulace chodu ED-> control of lactic acid collection from bioreactor 10, regulation of ED run

- po najetí fermentace tj. po dosažení maximální hodnoty vodivosti 35 mS se zapojí MF 20 aEDI30aII40a systém se převede do kontinuálního režimu.- after the fermentation has started, ie after reaching a maximum conductivity value of 35 mS, the MF 20 is connected and the EDI30aII40a system is switched to a continuous mode.

- vodivost (G10, resp. G₂) média se v bioreaktoru 10 v permeátu a po průchodu mikrofiltrem 20 udržuje na optimální hodnotě, což odpovídá cca 5 až 8 % hmotn. kyseliny mléčné.- conductivity (G10, respectively. G ₂₎ of the medium in the bioreactor 10 and the permeate after passing through the micro-filter 20 is maintained at an optimum value which corresponds to about 5-8% by weight. Lactic acid.

Měřicí místa v tocích č. 2, 3, 4, 6 a 7 slouží k seřízení optimálního režimu elektrodialyzačních jednotek - tj. požadovanému zakoncentrování laktátu v odpovídající čistotě (bez příměsi 50 balastních látek) a jeho maximální konverzi na kyselinu mléčnou. Ke stanovení koncentrace laktátu v koncentrátu z ED I 30 lze využít hodnot vodivosti. Protože v průběhu ED Π 40 dochází ke změně laktátového anionu na méně disociovanou formu - kyselinu mléčnou, dochází k poklesu vodivosti roztoku, je tedy nutno koncentraci kyseliny mléčné zjišťovat pomocíThe measuring points in flows 2, 3, 4, 6 and 7 serve to adjust the optimal regime of electrodialysis units - ie the required concentration of lactate in the corresponding purity (without the addition of 50 ballast substances) and its maximum conversion to lactic acid. Conductivity values can be used to determine the lactate concentration in the ED I 30 concentrate. Since the lactate anion is changed to a less dissociated form - lactic acid during ED Π 40, the conductivity of the solution decreases, so it is necessary to

-6CZ 287129 B6 kombinace pH s refrakcí. Hodnoty vodivosti G jednotlivých toků jsou důležité pro vlastní ED procesy. Obsah kyseliny mléčné ve vystupujících proudech je určován tedy na základě refrakce.-6GB 287129 B6 combination of pH with refraction. Conductivity values G of individual streams are important for own ED processes. The lactic acid content of the outgoing streams is thus determined by refraction.

Jak pro RI, tak pro vodivost G je nutné experimentálně nalézt optimální hodnoty, které jsou závislé na kmenu mléčných bakterií, složení média, zařízení a řadě dalších faktorů. Pro daný systém to jsou hodnoty: pH 5,5 až 6,5; G do 35 mS a RI 1,30 až 1,36.For both RI and conductivity G, it is necessary to experimentally find optimal values that are dependent on the lactic acid strain, the composition of the medium, the device and a number of other factors. For a given system, these are: pH 5.5 to 6.5; G to 35 mS and RI 1.30 to 1.36.

Varianta 2Option 2

Podle obr. 2 všechny recykly (z MF 20, včetně diluátů z ED I 30 a ED II40) jsou vraceny přímo do bioreaktoru 10. Diluáty nejsou vedeny přes nádrž 50, ve které by se kompletovalo médium přítokované do bioreaktoru 10. Cukr a ostatní, živiny a voda jsou dodávány rovněž přímo do bioreaktoru 10.According to FIG. 2, all recycled materials (from MF 20, including the diluates from ED I 30 and ED II40) are returned directly to the bioreactor 10. Diluates are not passed through a reservoir 50 in which the medium fed to the bioreactor 10 would be assembled. nutrients and water are also supplied directly to the bioreactor 10.

Přítok vody je řízen sondou měřící objem Vio, které vyrovnává ztrátu způsobenou odvodem koncentrátu kyseliny (tok 4) a odtahem biomasy z bioreaktoru 10.The water inlet is controlled by a Vio volume measuring probe that compensates for the loss caused by the acid concentrate removal (flow 4) and the biomass withdrawal from the bioreactor 10.

Dávkování cukru je řízeno podle refrakce média v bioreaktoru 10 refraktometrem RIjo, která je udržována na hodnotě mezi 1,34 až 1,35.Sugar dosing is controlled by the refraction of the medium in the bioreactor 10 by a refractometer R 10, which is maintained at between 1.34 to 1.35.

Dávkování živin (solí) je řízeno podle vodivosti média v bioreaktoru 10 vodivostním čidlem Gio, která je udržována na hodnotě 30 až 35 mS nebo může být spřaženo v určitém poměru k dávkování cukru.Nutrient (salt) dosing is controlled by the conductivity of the medium in the bioreactor 10 by a G 10 conductivity sensor, which is maintained at 30 to 35 mS or may be coupled in some proportion to the sugar dosing.

Ostatní regulace zůstává stejná jako u varianty 1.The other controls remain the same as for Option 1.

Tato varianta je náročnější na regulaci a řízení, neboť nepravidelnosti chodu jednotlivých zařízení se okamžitě projeví v bioreaktoru 10. V předcházející variantě nádrž 50 sloužila k vyrovnání možných náhlých změn v celém zařízení, neboť hlavním kritériem je řízení jednotlivých izolačních stupňů s cílem dodržet maximální koncentraci a kvalitu kyseliny mléčné jako výstupního produktu. Tomu je podřízen i režim jednotlivých elektrodialyzérů a kvalita a množství diluátů.This variant is more demanding in terms of regulation and control, as the irregularities of operation of the individual devices are immediately reflected in the bioreactor 10. In the previous variant, the tank 50 served to compensate for possible sudden changes in the entire device. the quality of lactic acid as the output product. This is also subject to the regime of individual electrodialysers and the quality and quantity of diluates.

Kyselina mléčná byla získávána výše uvedeným způsobem podle varianty 1 nebo 2.Lactic acid was obtained as described above according to variant 1 or 2.

Byl použit homofermentativní kmen mléčných bakterií a médium obsahující sacharózu nebo glukózu jako zdroj uhlíku a energie, anorganické soli a zdroj organického dusíku, vitaminů a růstových látek. Fermentace byly prováděny při teplotním optimu (30 až 45 °C) daného produkčního mikroorganismu a konstantním pH v intervalu 5,5 až 6,5.A homofermentative strain of lactic acid bacteria and a medium containing sucrose or glucose as source of carbon and energy, inorganic salts and source of organic nitrogen, vitamins and growth agents were used. Fermentations were carried out at a temperature optimum (30-45 ° C) of the production microorganism at a constant pH in the range of 5.5 to 6.5.

Po doplnění bioreaktoru a dosažení hodnoty vodivosti média G₁ = 35 mS v bioreaktoru byla fermentace přepnuta do kontinuálního režimu, tento režim byl udržován více jak 560 hodin. Typické hodnoty získané z ustáleného stavu jsou uvedeny v tabulce 1.After the addition of the bioreactor and reaching the conductivity value of G ₁ = 35 mS in the bioreactor, the fermentation was switched to a continuous mode, which was maintained for more than 560 hours. Typical steady state values are given in Table 1.

-7CZ 287129 B6-7EN 287129 B6

Tabulka 1Table 1

Označení toku Flow designation 1 1 2 2 3 3 4 4 6 6 7 7 látka (g/i) substance (g / i) fermentor fermentor výstup z MF, vstup na EDI output from MF, input to EDI výstup zED I, vstup na ED II output zED I, input to ED II koncentrát z EDD EDD concentrate diluát zEDIrecykl diluate zEDIrecykl diluát z ED II, recykl ED II diluate, recycle cukiy cukiy 3,8 3.8 3,8 3.8 0,1 0.1 0,05 0.05 7,3 7.3 _ _ kyselina mléčná lactic acid 72 72 72 72 155 155 195 195 10,5 10.5 5,0 5.0 G(mS) G (mS) 35 35 35 35 75 75 12 12 3,8 3.8 12 12 RI (index lomu) RI (refractive index) 1,345 1,345 1,345 1,345 1,357 1,357 1,363 1,363 1,336 1,336 1,333 1,333 pH pH 5,8 5.8 5,8 5.8 5,6 5.6 2,0 2,0 6,0 6.0 10,0 10.0

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Vynález je využitelný při výrobě kyseliny mléčné.The invention is useful in the manufacture of lactic acid.

Claims (2)

1. Způsob řízení doplňování nezbytných živin, zejména sacharidů, zdrojů dusíku, fosforu a dalších biogenních prvků, vitaminů a růstových faktorů, při kontinuální výrobě kyseliny mléčné s recyklací biomasy a recyklací toků diluátů ze stupňů elektrodialýzy a elektrokonverze, vyznačující se tím, že se proces doplňování roztoků nezbytných živin do bioreaktoru provádí na základě kontinuálně měřené kombinace hodnot pH, vodivosti a refrakce média v bioreaktoru, přičemž při doplňování roztoků nezbytných živin se udržuje konstantní objem produkčního média v bioreaktoru a pH produkčního média na hodnotě 5,5 až 6,5, refrakční index RI v mezích 1,3 až 1,4 a vodivost G v mezích 8 až 35 mS.1. A method for controlling the replenishment of essential nutrients, in particular carbohydrates, nitrogen sources, phosphorus and other biogenic elements, vitamins and growth factors, in the continuous production of lactic acid with recycling of biomass and recycling of diluate streams from the electrodialysis and electroconversion stages. the addition of necessary nutrient solutions to the bioreactor is based on a continuously measured combination of pH, conductivity and refraction of the medium in the bioreactor, while maintaining the constant volume of production medium in the bioreactor and pH of the production medium at 5.5 to 6.5 a refractive index RI between 1.3 and 1.4 and a conductivity G between 8 and 35 mS. 2. Způsob řízení doplňování nezbytných živin podle nároku 1, vyznačující se tím, že se produkční médium připravuje v přípravné nádrži umístěné před bioreaktorem, do níž se vracejí odpadní proudy z elektrodialyzérů a přidává roztok cukru, živin a vody.Method for controlling the necessary nutrient replenishment according to claim 1, characterized in that the production medium is prepared in a preparation tank located in front of the bioreactor to which the waste streams from the electrodialysers are returned and a solution of sugar, nutrients and water is added.